用于超导线圈的支承结构的制作方法

1.本发明涉及用于超导线圈的支承结构，并且特别地涉及用于轻质、挠性超导线圈的支承结构。


背景技术：

2.常规地，比如用于磁共振成像(mri)或核磁共振(nmr)系统的许多超导磁体包括产生强磁场、静磁场的主磁体线圈和具有的直径比主磁体线圈的直径大的屏蔽线圈，该屏蔽线圈通常以与主磁体线圈中的电流相反的方向输送电流。屏蔽线圈减少了由磁体发出的杂散场的量。为有效起见，屏蔽线圈倾向于与主磁体线圈径向隔开相当大的径向间隙。为了有效屏蔽杂散场，必须准确定位屏蔽线圈。在使用中，这种屏蔽线圈可能会受到许多吨的轴向本体力。因此，有必要为这种屏蔽线圈提供一种支承结构，该支承结构能够抵抗这种轴向载荷，还能够将屏蔽线圈准确且重复地保持在所需位置中。支承结构还需要轻质且节约成本，以便满足当前的驱动，以使液体冷冻剂的库存和消耗最小化，使运输成本和材料消耗最小化。
3.那些不依赖于冷冻剂的浴器或循环物质的传导冷却式磁体要求超导磁体的“冷物质”应保持较低。“冷物质”包括超导磁体的所有部件，这些部件在使用中处于超导线圈的操作温度。因此，“冷物质”将包括超导线圈本身、支承结构、电气连接件和附接至支承结构的装备。
4.在冷物质受到限制的情况下，线圈的材料在线材尺寸上会减小，并且常规线圈架在尺寸上可能会减小或被完全取消。因此，线圈变得非常薄，并失去了线圈的大部分固有的刚度，使得支承这种线圈变得更加困难。需要比常规磁体结构的情况下更多地考虑诸如运输、线圈之间的相互作用以及磁体附近的铁之类的问题。由于减小质量的线圈在某种程度上可能是挠性的，因此，优选的是线圈不应受到机械点载荷。也就是说，线圈不应仅在围绕线圈的圆周的几个位置处受到限制，因为在操作中产生的机械点载荷会导致线圈变形。
5.超导磁体的当前设计和未来设计也可能以将低质量、挠性超导线圈作为主磁体线圈为特征，因此，本发明的方法和结构可以应用于主磁体线圈和屏蔽磁体线圈两者。


技术实现要素：

6.因此，本发明提供了用于超导线圈的支承结构和用于支承超导线圈的方法，使得物质消耗和材料消耗最小化，与其他部件的机械相互作用最小化，并且使得将线圈支承在围绕该线圈的圆周的许多位置处。使用本发明的方法和装置，可以将相对薄且挠性的线圈安装至刚性支承结构，而不用担心线圈的操作可靠性。
7.常规的安装和加强布置、比如刚性线圈线圈架或大横截面的线材不适合用于寻求使质量、材料消耗和冷却要求最小化的超导磁体结构。
8.因此，本发明提供了如所附权利要求中所限定的方法和装备。
附图说明
9.根据下面对仅作为示例给出的某些实施方式的描述以及附图，本发明的以上和其他目的、特性和优点将变得更加明显，在附图中：
10.图1至图3以部分径向横截面、部分轴向横截面示出了本发明的各个示例实施方式；以及
11.图4至图6示意性地表示了根据本发明的实施方式的通过挠性安装带制造线圈的制造过程中的各阶段，该制造过程本身是根据本发明的实施方式的。
12.图7以与图1的表示类似的方式示意性地表示了本发明的替代性实施方式；以及
13.图8和图9表示用于制造如图7中表示的制品的方法中的步骤。
具体实施方式
14.本发明提供了用于以避免应力集中的方式将薄的挠性线圈接合至刚性支承结构的方法和装置，并提供了围绕被支承线圈的圆周的连续或接近连续的支承。这是通过质量很小的结构实现的，并且可以发现能够有效地应用于不包括或几乎不包括冷冻剂材料的超导磁体布置结构，在该冷冻剂材料中，低结构质量使能够相对快速地冷却和重新冷却至操作温度。
15.图1示意性地表示本发明的实施方式的部分轴向横截面、部分径向横截面。该结构基本上关于轴线a-a(示意性地表示)旋转对称并且关于中心线c-c(示意性地表示)反射对称。在本说明书中，提及“轴向”和类似术语指示平行于轴线a-a的方向，而提及“径向”和类似术语指示垂直于轴线a-a的方向。
16.线圈10是薄的挠性线圈。线圈10可以是屏蔽线圈，并且在本说明书中，可以称为屏蔽线圈，尽管本发明延伸至合并主磁体线圈并且实际上合并任何磁体线圈的实施方式。
17.根据本发明的特征，挠性安装带12附接至线圈10的径向外表面14并且轴向延伸超过线圈的表面。在所图示的实施方式中，挠性安装带12在线圈10的整个径向外表面上延伸。在本发明的其他实施方式中，带不在整个径向外表面上延伸，而是在足够的宽度上延伸以提供必要的机械相接面强度。在所图示的实施方式中，多个孔18穿过挠性安装带12形成，优选地靠近挠性安装带12的轴向末端形成，以用于例如通过铆钉或螺栓将挠性安装带12安装至支承结构的目的。在未单独图示的其他实施方式中，挠性安装带12可以替代性地或附加地以粘附的方式结合或机械地夹置至支承结构而不是铆接或螺栓连接至支承结构。这些方法将提供连续的支承，并将进一步使可能在这样的实施方式中发生的应力集中最小化，在该实施方式中，支承结构被间歇地支承、例如通过螺栓或铆钉间歇地支承。
18.在图1的实施方式中，在挠性安装带12的轴向内末端16附近形成有多个孔18。紧固件20、比如铆钉或螺栓穿过每个孔18设置并且用于在多个位置处将安装带12附接至支承结构22。孔18和紧固件20的数目选择成至少足以使线圈10不会承受足以在使用中引起变形的点载荷。在某些实施方式中，加强带24设置在挠性安装带12的部分上，足以覆盖孔18的轴向范围和围绕孔的区域，从而为紧固件20提供支承。孔18延伸穿过加强带。如果加强带足够坚固，和/或孔18和紧固件20足够多，则可能发现加强带24是不必要的。然而，当挠性安装带12轻质时，会最佳获得本发明的优点。
19.支承结构22可以是任何常规或合适的支承结构。在线圈10是屏蔽线圈的情况下，
支承结构22可以安装至主磁体结构、冷冻剂容器或真空容器(外真空室“ovc”)。在线圈10是主磁体线圈的情况下，支承结构22可以安装至冷冻剂容器或ovc。
20.在使用中，线圈10经受很大的轴向力，如由箭头26所图示的。根据磁体设计，以26表示的轴向力可以朝向或远离磁体的轴向中间平面c-c作用。
21.在使用中，线圈10和剩余的冷物质被冷却至超导操作温度，该超导操作温度通常为20k或更低，通常大约为4k。线圈10经受的轴向力26连同因环形线圈10中的张力受到的环向应力和热膨胀的差异将导致线圈10和挠性安装带12相对于支承结构22移位至以虚线表示的活动位置10’。如图1中表示的，作用在线圈10上的力可能导致线圈10变形，在图示的示例中通过向外成桶形而变形。在其他实施方式中，线圈10可能向内成桶形，或呈圆锥形地变形。在超导磁体的设计期间，这种变形和运动的程度和位置可以通过本领域技术人员已知的计算机建模软件来建模，并且可以在线圈10处于其“活动”位置10’的情况下模拟磁体的操作。优选地，挠性安装带12在轴向方向上是相对刚性的但在径向方向上是相对顺应性的。可以沿着挠性安装带的轴向长度添加未图示的一个或更多个附加加强带，以抵抗挠性安装带在轴向压缩载荷下的屈曲，同时仍保持径向顺应性。
22.在其中线圈10通过与液态冷冻剂和/或气态冷冻剂接触而冷却的本发明的实施方式中，可以发现本发明的结构是有利的，这是因为，由于挠性安装带12可以是相对较薄并且导热的，故而线圈10的整个表面通过与冷冻剂接触而冷却。
23.挠性安装带12相对较薄并且在由线圈10经受的力下是挠性的。挠性安装带12结合至线圈10的径向外表面并且用作将线圈10附接至支承结构的装置。在下面更详细地描述的其他实施方式中，线圈10可以通过挠性安装带12附接至一个或更多个其他线圈，这种其他线圈也设置有类似的挠性安装带。在下面也更详细地描述的其他替代性实施方式中，挠性安装带12结合至线圈10的径向内表面。
24.挠性安装带12的径向顺应性允许线圈10相对于支承结构22膨胀，而不会在线圈10与挠性安装带12之间引入过大的相接面应力。因为在许多点处连接挠性安装带12，或者连续地连接挠性安装带12，并且线圈10连续地连接至挠性安装带12，线圈被支承结构22保持为圆形。发现这种线圈支承件能够抵抗由运输冲击和电磁(em)载荷引起的相当大的横向力，该电磁载荷例如来自附近的铁屏蔽板。
25.在本发明的某些实施方式中，挠性安装带12通过连续的机械连接附接至支承结构22。这根据所使用的材料可以借助于玻璃纤维布或碳纤维布的树脂浸渍包覆层或者通过焊接、钎焊或类似方式、或粘合剂结合进行。
26.超导磁体中的失超(quench)是非常严重的载荷情况，尤其是对于薄的线圈，其中，线圈10可以相对于支承结构22大致变热。在如由图1的实施方式表示的本发明的情况下，由挠性安装带12提供的径向顺应性挠曲可以适应由于不同的热膨胀引起的位置上的相对变化，而不会对线圈10施加机械应力。
27.线圈10与支承结构22之间的机械相接面有效地位于紧固件20处，远离线圈。线圈相对于支承结构22的任何机械运动将由挠性安装带12与支承结构22之间的运动承担，挠性安装带12与支承结构22之间的运动远离线圈10。相反，由于任何其他原因，挠性安装带12与支承结构22之间的任何机械运动也将远离线圈10发生，并且由在任何这种运动中的摩擦产生的热将不会到达线圈10并且也将不会导致线圈失超。
28.挠性安装带12是径向顺应性的弯曲支承件，该支承件避免由于诸如冷却、通电或失超之类的事件而将应力集中引入线圈10中。挠性安装带12在轴向方向和方位角方向上是刚性的，并且因此能够抵抗em和运输载荷。
29.因此，本发明提供了一种特别适用于非常薄的线圈的线圈支承方法。本发明的线圈支承件在许多方位角位置处支承线圈，从而防止线圈变得不圆或屈曲。在优选的实施方式中，线圈支承方法向超导磁体增加非常少的成本或结构物质。通过本发明的结构避免了粘滑(stick-slip)引发的失超，因为任何粘滑事件都将在远离线圈本身的地方发生。
30.图2示出了本发明的另一实施方式，在该实施方式中，主磁体线圈50各自以与参照图1的实施方式描述的方式类似的方式附接至挠性安装带52。在端部线圈的情况下、比如图2的左手侧所示的，挠性安装带52轴向延伸超过相关线圈50的轴向内末端。在其他(内)线圈的情况下，挠性安装带52轴向延伸超过线圈50的两个轴向末端。
31.因此，第一线圈元件60包括端部线圈50和轴向延伸超过相关联的端部线圈50的轴向内末端的相关联的挠性安装带52。第二线圈元件62和第三线圈元件64各自包括内线圈50和轴向延伸超过线圈50的两个轴向末端的相关联的挠性安装带52。
32.在线圈之间设置有环形连接器54，并且这些环形连接器54提供线圈之间的机械连接，因为相应的挠性安装带52附接至每个环形连接器54以连结相邻的线圈。环形连接器54可以是复合材料、机加工成型，或形成为环形形状的铝挤压件，或对超导磁体设计领域的技术人员将明显的其他合适材料。环形连接器54将比挠性安装带52更刚性。环形连接器54因此为最终结构提供机械强度并确保每个线圈在相关联的挠性安装带52的一个或更多个轴向末端处被牢固地支承。环形连接器54可以用作承载载荷的支承件以将磁体结构保持在低温恒温器内。支承杆或类似物可以附接至环形连接器54并用于承载冷物质的重量。
33.图3示出了另一实施方式，即图2的实施方式的变体，在该另一实施方式中，两个或更多个线圈50附接至单个共用的挠性安装带52’，其中，在这些线圈之间没有环形连接器54。相应地提供多线圈元件66，该多线圈元件66具有两个或更多个线圈50，两个或更多个线圈50轴向间隔开但连接至共用的挠性安装带52’。
34.特别地，图2和图3的布置结构示出了本发明的线圈支承结构，该线圈支承结构可以用于以模块化方式构建完整的非常轻质的低成本线圈系统。环形连接器54可以从大量供应商中的任一者处购买并作为库存物品而保持。线圈50可以以所需的设计范围制造并保持在库存中。通过使所有挠性安装带52、52’具有最大所需轴向尺寸，可以通过在制造特定设计之前将挠性安装带52、52’修整至所需轴向尺寸来制造不同设计的磁体。
35.图4至图6图示了用于制造本发明的线圈支承结构的示例方法中的阶段。这些方法本身形成本发明的实施方式。
36.如图4中所示，设置了环形的、可拆卸的模具70。模具70在所图示的示例中包括多个部分70a、70b、70c，这些部分能够相互拆卸，以便促使从模具中取出完整的线圈结构。
37.当组装时，模具70限定了用于缠绕所需超导线圈的正确尺寸的第一环形腔体72以及与第一环形腔体至少部分重叠且用于围封挠性安装带12、52的正确尺寸的第二环形腔体74。可选地，可以进一步限定第二环形腔体以容纳加强带24。
38.在制造过程的第一阶段中，如图4中所图示的，线圈10、50通过缠绕多圈超导线材形成在第一环形腔体72中。可以干缠绕线材以供以后的树脂浸渍，或者可以湿缠绕线材，也
就是说，涂覆有未固化的树脂，使得线圈在其形成时变成树脂浸渍的。在其他实施方式中，线圈可以由涂覆有在加热时熔合在一起的可粘合热塑性涂层的线材缠绕而成，或由涂覆有在暴露于紫外线下熔合在一起的材料的可粘合线材缠绕而成，或者线材层可以与用未固化树脂预浸渍的承载件材料交错，这种复合材料通俗地称为“预浸材料”。一旦完全缠绕线圈，过程进入如图5中所图示的下一阶段。
39.在图5中，将材料缠绕到第二环形腔体74中以形成挠性安装带12、52、52’。该材料缠绕在线圈10、50的径向外表面的至少一部分上，并且在模具70a的轴向相邻部分上延伸，使得该材料形成挠性安装带，该挠性安装带在至少一个侧部上远离线圈10、50轴向延伸。在其中挠性安装带52’在两个轴向侧部上远离线圈10、50轴向延伸的本发明的实施方式中，第二环形腔体74在两个轴向侧部上对应地远离第一环形腔体72轴向延伸，以限定形成挠性安装带52’的容积。
40.用于形成挠性安装带12、52、52’的材料可以是玻璃纤维布或玻璃纤维细丝，或碳纤维布或碳纤维细丝。可以干缠绕布或细丝，以便以后用树脂浸渍，或者可以湿缠绕布或细丝，也就是说涂覆有未固化的树脂，以便随着缠绕布或细丝形成树脂浸渍的挠性安装带，或通过其他布置、例如如上面所概述的布置来缠绕布或细丝。替代性地，可以使用金属条带、比如1mm厚的不锈钢条带作为挠性安装带的材料。条带可以延伸线圈10、50的整个圆周，并且该条带的端部优选地将有一定程度的重叠；或者可以将条带的端部焊接、钎焊或以其他方式连结成放置在线圈10、50上方的单个环形结构。这种实施方式可能需要添加或移除模具70的部分，以允许接近来将单个环形结构放置在线圈上。在其他实施方式中，可以先将涂覆有未固化树脂的玻璃纤维布或碳纤维布缠绕在线圈10、50上，然后将金属带或类似的带缠绕在布层上。一旦固化，树脂将用于将带结合至线圈，并开始处理带和线圈的表面中的任何不一致性。可以将涂覆有未固化树脂的另一层玻璃纤维布或碳纤维布缠绕在带上，以将带保持在适当的位置并在适当的情况下提供所需的机械刚度。如果需要，可以形成加强带24，通常通过将适当宽度的玻璃纤维布或碳纤维布的条带缠绕在挠性安装带12、52的轴向远离线圈10、50的末端上来形成加强带24。
41.在下一步骤中，树脂被固化，并硬化成包围线圈绕组和挠性安装带的材料的整体式结构。
42.接下来，通过将模具拆卸成其组成部分70a、70b、70c来将浸渍在整体树脂浸渍结构中的线圈和挠性安装带从模具70中取出。如超导线圈制造领域的技术人员将熟悉的，可以提供脱模剂来辅助该步骤。
43.图6示出了从模具中取出的成品结构。线圈10、50设置有挠性安装带12、52、52’，并且孔18围绕挠性安装带的圆周间隔地形成。如果存在的话，这种孔18穿过加强带24。图6的结构已准备好用于比如图2和图3中所示的实施方式中。
44.在图7中所图示的并且类似于图1的表示的替代性实施方式中，挠性安装带12附接至线圈10的径向内表面，而不是图1的实施方式中采用的径向外表面14。挠性安装带12附接至线圈10的径向内表面82，其中，位于挠性安装带12的径向外表面上的可选的加强带24从线圈10轴向移位。图8和图9图示了制造这种结构的方法中的步骤，类似于上面参照图4至图6描述的方法步骤。在图8中所示的步骤中，环形腔体84由包括部分86a、86b、86c的可拆卸模具工具86限定。将材料缠绕到环形腔体84中以形成挠性安装带12、52、52’。该材料形成挠性
安装带，在完成的组件中，该挠性安装带将在至少一个侧部上远离线圈10、50轴向延伸。用于形成挠性安装带12、52、52’的材料可以是玻璃纤维布或玻璃纤维细丝，或碳纤维布或碳纤维细丝。可以干缠绕布或细丝，以便以后用树脂浸渍，或者可以湿缠绕布或细丝，也就是说涂覆有未固化的树脂，以便随着缠绕布或细丝形成树脂浸渍的挠性安装带，或通过其他布置、例如如上面所概述的布置来缠绕布或细丝。替代性地，可以使用金属条带、比如1mm厚的不锈钢条带作为挠性安装带的材料。条带可以延伸线圈10、50的整个圆周，并且该条带的端部优选地将有一定程度的重叠；或者可以将条带的端部焊接、钎焊或以其他方式连结成单个环形结构。这种实施方式可能需要添加或移除模具86的部分，以允许接近来将单个环形结构放置在环形腔体84中。在其他实施方式中，可以先将涂覆有未固化树脂的玻璃纤维布或碳纤维布缠绕在环形腔体84中，然后将金属带或类似的带缠绕在布层上。一旦固化，树脂将用于将带结合至线圈，并开始处理带和线圈的表面中的任何不一致性。可以将涂覆有未固化树脂的另一层玻璃纤维布或碳纤维布缠绕在带上，以将带保持在适当的位置并在适当的情况下提供所需的机械刚度。如果需要，可以形成加强带24，通常通过在完成的组件中将适当宽度的玻璃纤维布或碳纤维布的条带缠绕在挠性安装带12、52的轴向远离线圈10、50的末端上来形成加强带24。
45.在挠性安装带12、52、52’的材料位于环形腔体84内之后，安装模具的一个或更多个其他的可拆卸部分86d，以限定线圈腔体88，在线圈腔体88中，线圈10、50将缠绕在挠性安装带12、52、52’上。
46.然后将线圈10、50缠绕到超导线材的线圈腔体88中，可以对超导线材进行湿缠绕，随后进行浸渍、与“预浸材料”一起缠绕或通过任何其他合适的方法、比如上述那些方法进行缠绕。产生的结构如图9中所示。可以将带材料90放置在模具部分86d的组成部分上以将模具部分86d的组成部分保持在适当位置。
47.然后使浸渍材料固化或允许其固化，并且然后通过拆卸模具工具从模具工具中取出图7中所图示的所产生的结构。如本领域技术人员将熟悉的，可以在线圈与模具工具表面之间设置释放层或涂层来辅助该过程。可以以类似的方式将比如图7的结构组装成与图2至图3中所图示的磁体结构类似的磁体结构。
48.在其中挠性安装带52’在两个轴向侧部上远离线圈10、50轴向延伸的本发明的实施方式中，通过在环形腔体84的两个轴向侧部上放置与86d处所示的模具件类似的其他模具件以限定线圈腔体88，线圈腔体88对应地远离环形腔体84的两个轴向端部轴向形成。
49.在其他实施方式中，挠性安装带12、52、52’可以替代性地或附加地附接至该线圈10或每个线圈10的轴向外表面。
50.因此，本发明提供了一种线圈支承结构，该线圈支承结构非常简单并且可以通过采用常规线圈制造技术来制造。本发明的结构和方法提供了最小化线圈支承结构的质量并且还最小化了线圈与支承结构之间的不期望的机械相互作用，从而降低了失超的风险。本发明的结构和方法提供了一种支承结构，该支承结构被高度优化以用于支承薄的超导线圈，同时避免引入应力集中。